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電子報

新興科技應用
農村發展及水土保持署
步行空中之路-無人飛行系統介紹
期數 / 第121期
發布日期 / 2024.09.19
主筆 / 陳俊廷
責任編輯 / 陳國威、黃奉琦
前言

無人飛行載具(Unmanned Aerial Vehicle;UAV)的發展歷程在科技領域中占有重要地位,其起源可追溯至20世紀初。1913年,Elmer A. Sperry與他的兒子共同發明了世界上第一台自動陀螺穩定器,為無人飛行器的誕生奠定了基礎。進入1950年代的冷戰時期,美蘇兩國開始積極研發偵察無人機,使無人機技術快速提升。進入21世紀,隨著技術的純熟,無人機逐漸走出軍事領域,迅速的向民用、商用及救援領域擴展(圖1),使得過去需要昂貴設備或許多人力能完成的任務變得更加簡單。隨著城市航空運輸(UAM)的開發,eVLOT無人機對於救災救援等具有極大的發展潛力,期望未來若能與AI相互搭配,創造更加便利的未來。

圖1、ADAC Luftrettung 的飛行員和急救醫生正準備出發進行救援。
圖1、ADAC Luftrettung 的飛行員和急救醫生正準備出發進行救援。
無人航空系統(Unmanned Aerial System,UAS)

隨著時代演進,無人飛行載具(UAV)結合了自動化且精確的系統,使得操作更加多元且更為安全。UAV通常結合了全球定位系統(Global Positioning System;GPS)、慣性測量單元(Inertial Measurement Unit;IMU)、飛行控制系統(Flight Control System)、地面控制站(Ground Control Station;GCS)及手持控制器等裝置,這些技術通過無線通訊系統協同運作,實現半自動或全自動的導航飛行,造就了無人機運行的生態系統,並由美國 FAA 稱之無人航空系統(Unmanned Aerial System,UAS)(楊明德、蔡慧萍,2018),以下為專有名詞簡介,如對於機身部件想了解可詳參考資料2

1. 慣性測量單元(Inertial Measurement Unit;IMU):
通常整合了多軸、加速度計、陀螺儀和其他感應器來估計物件在空間中的方向,通常用於機械人動態運動和地形補償、有效負載平台穩定以及天線和攝像頭指向應用。

2. 地面控制站 (Ground Control Station, GCS):
用於遠端操控和監視各類無人機的執行和任務飛行的地面設備。

3. 無線通訊系統:
無人機與控制站之間的通訊系統,用於傳輸控制命令和飛行數據。

4. 飛行控制系統(Flight Control System):
具備讀取傳感器數據和計算與控制飛行時 UAV 姿態之功用,通常包含含控制器、陀螺儀、加速度計和氣壓計等傳感器。

無人機主要類型介紹(皆為無人機資安檢測通過機型)

1. 多旋翼無人機(多旋翼機)

圖2、skystar 3 (資料來源:璿元科技官網)
圖2、skystar 3 (資料來源:璿元科技官網)
圖3、新樂飛A610 -10升植保機(資料來源:酷飛多軸聯盟)
圖3、新樂飛A610 -10升植保機(資料來源:酷飛多軸聯盟)

2. 固定翼無人機(定翼機)

圖4、天箭級定翼機系列-Sky Arrow 55(資料來源: 經緯航太科技官網)
圖4、天箭級定翼機系列-Sky Arrow 55(資料來源: 經緯航太科技官網)
圖5、eBee X(資料來源:AgEagle官網)
圖5、eBee X(資料來源:AgEagle官網)

3. 單旋翼無人機

圖6、MARS2 陸用監偵無人機 (資料來源:自由時報)
圖6、MARS2 陸用監偵無人機 (資料來源:自由時報)

4. 垂直起降固定翼無人機

圖7、eVTOL A02 (資料來源:Aiseed艾知科技官網)
圖7、eVTOL A02 (資料來源:Aiseed艾知科技官網)
表1、無人機之類型及優缺點表(James Rennie,2016)(詳參考資料9~11)
表1、無人機之類型及優缺點表(James Rennie,2016)(詳參考資料9~11)
未來無人機應用-城市航空運輸(UAM)

民用無人機包含娛樂(例如空拍、競技)用消費型無人機,以及應用於各種專業服務的商用型無人機(交通部民航局,2023)。其中,商用無人機常見的應用類型有空中攝影、測繪作業、災害救援及監測、農業監測與管理、物流運輸以及提供空中通信中繼等。
城市航空運輸(Urban Air Mobility;UAM)是一種安全與有效率的航空運輸系統。UAM會使用在較低空域操作的高度自動化飛行器,在城市與城市之間提供載客及貨物運送服務。而電動垂直起降飛行器(electirc vertical takeoff and landing aircraft;eVTOL),是實現UAM應用的主要飛行載具。

圖8、UAM的運輸服務應用(中技社,2023)
圖8、UAM的運輸服務應用(中技社,2023)
電動垂直起降飛行器(eVTOL)

eVTOL主要是將電力推動系統及垂直起降功能進行結合,相對普通直升機來說,eVTOL具有更低的碳排量、低噪音及低維護成本的特性,未來有望用於短距離的城市內或城市間的交通運輸。它們可以在相對較小的垂直空間內起降,因此特別適合於高樓密集的都市環境,並且能夠降低交通擁堵,其飛行器類型可細分為:

1. 多旋翼eVTOL(Multirotor eVTOLs)

2. 升降機 + 巡航eVTOL(Lift + cruise eVTOLs)

3. 傾轉旋翼機和傾轉翼eVTOL(Tiltrotor and tiltwing eVTOLs)

4. 矢量推力控制eVTOL(Vectored thrust eVTOLs)

(資料來源及延伸閱讀點我)

依據垂直飛行協會(Vertical Flight Society;VFS)截至2022年1月止,全球有超過350家公司,共提出超過600種eVTOL設計案,部分設計案已進入原型機飛行驗證,但因現今eVTOL的發展仍面臨許多挑戰,除了三大主要技術,載具、動力及飛控都需要持續精進外,供應鏈問題,政策擬定問題及公眾接受度問題等,都是要逐一克服的挑戰,Roland Berger於2022年預估,2025年前150公斤級以下載貨VTOL應用會商業化,並於2025~2030年間市場快速成長;於2025年後實現短程載人應用,並於2030~2035年市場快速成長。而臺灣交通部運輸研究所於2020年發表之報告中表示,預計於2025年進行物流運送、 防災及救災、交通資料蒐集、基礎設施監測、人員運輸、創意應用競賽、國際行銷曝光等的整合示範計畫,並於2030達成階段目標。

圖9、UAM應用發展進程預測(中技社,2023)
圖9、UAM應用發展進程預測(中技社,2023)

於實務發展上,EHang公司於2020年已經於亞洲地區的韓國首爾進行大型的展示操作(圖10)。德國製造商Volocopter與巴黎機場集團Groupe ADP,於巴黎奧運閉幕日在奧運馬術比賽的凡爾賽宮大特里亞農宮(Grand Trianon)舉行不載客試飛(圖11)。Vertical Aerospace公司於2024年9月12日進行電動空中計程車VX4 試驗機的試飛懸停測試(圖12)

圖10、EHang公司於2020年在韓國首爾進行UAM示範(詳參考資料15)
圖10、EHang公司於2020年在韓國首爾進行UAM示範(詳參考資料15)
圖11、eVTOL於巴黎奧運閉幕日進行試飛(詳參考資料16)
圖11、eVTOL於巴黎奧運閉幕日進行試飛(詳參考資料16)
圖12、Vertical Aerospace公司的電動空中計程車VX4(詳參考資料17)
圖12、Vertical Aerospace公司的電動空中計程車VX4(詳參考資料17)
參考資料
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